(57)【要約】【課題】高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく高精度の相関検出をすることができる光相関器を提供する。【解決手段】光相関器１は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２１、第２光変調部２２、撮像部３１および制御部４１を備える。第１光変調部２１に呈示される第１変調パターンは、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。第１フレネルレンズパターンは、入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部２２に形成するためのものである。第２光変調部２２に呈示される第２変調パターンは、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。【選択図】図１
2010108410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する光相関器であって、
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記光の振幅または位相を変調する第１変調パターンを呈示して、その変調後の光を出力する第１光変調部と、
前記第１光変調部から出力された光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記光の振幅または位相を変調する第２変調パターンを呈示して、その変調後の光を出力する第２光変調部と、
前記第２光変調部から出力された光を受光する撮像面を有し、その撮像面における前記光の像を撮像する撮像部と、
前記第１光変調部に前記第１変調パターンを呈示させるとともに、前記第２光変調部に前記第２変調パターンを呈示させる制御部と、
を備え、
前記制御部が、
前記入力パターンと、前記入力パターンのフーリエ変換像を前記第２光変調部に形成するための第１フレネルレンズパターンと、を重畳したパターンを前記第１変調パターンとして前記第１光変調部に呈示させるとともに、
前記参照パターンに対応する相関フィルタパターンと、前記入力パターンと前記参照パターンとの間に相関がある場合に前記第２光変調部から出力される光を前記撮像部の撮像面に集光させるための第２フレネルレンズパターンと、を重畳したパターンを前記第２変調パターンとして前記第２光変調部に呈示させて、
このときの前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記入力パターンと前記参照パターンとの間の相関を検出する、
ことを特徴とする光相関器。
【請求項２】
前記制御部が、
前記第１フレネルレンズパターンを前記第１光変調部に呈示させるとともに、光入射位置によって光の回折の方向または強度が異なる回折パターンを前記第２光変調部に呈示させて、そのときの前記撮像部による撮像の結果を求め、
この撮像結果に基づいて、前記第１光変調部における前記第１フレネルレンズパターンの呈示位置、前記第２光変調部における前記相関フィルタパターンの呈示位置、または、前記第１光変調部に呈示される前記入力パターンのフーリエ変換像を前記第２光変調部に形成する際の位置を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
【請求項３】
前記制御部が、前記第１変調パターンに第１ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを前記第１光変調部に呈示させて、前記第１光変調部からの出力光のうち前記第１ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を前記第２光変調部に入射させ、前記第１光変調部からの出力光のうち０次光を前記第２光変調部に入射させない、ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
【請求項４】
前記制御部が、前記第２変調パターンに第２ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを前記第２光変調部に呈示させて、前記第２光変調部からの出力光のうち前記第２ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を前記撮像部の前記撮像面に入射させ、前記第２光変調部からの出力光のうち０次光を前記撮像部の前記撮像面に入射させない、ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
【請求項５】
Ｎ個の前記第１光変調部を並列的に有する第１空間光変調器と、Ｎ個の前記第２光変調部を並列的に有する第２空間光変調器と、を用い、
前記制御部が、Ｎ個の前記第１光変調部とＮ個の前記第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において前記入力パターンと前記参照パターンとの間の相関を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器（Ｎは２以上の整数）。
【請求項６】
Ｎ個の前記第２光変調部を並列的に備え、
前記制御部が、
前記第１変調パターンにブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したＮ個のパターンを多重化した多重化パターンを前記第１光変調部に呈示させ、
前記Ｎ個のパターンに対して１対１に対応する前記第２変調パターンをＮ個の前記第２光変調部それぞれに呈示させ、
前記第１光変調部からの出力光のうち各ブレイズド位相回折格子パターンにより所定方向に回折された光を、Ｎ個の前記第２光変調部のうちの何れかに入射させ、
Ｎ個の前記パターンとＮ個の前記第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において前記入力パターンと前記参照パターンとの間の相関を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器（Ｎは２以上の整数）。
【請求項７】
Ｎ個の前記第２光変調部を並列的に備え、
前記制御部が、
前記入力パターンのＮ個のフーリエ変換像を形成するためのパターンをも前記第１変調パターンに重畳して前記第１光変調部に呈示させ、
前記Ｎ個のフーリエ変換像に対して１対１に対応する前記第２変調パターンをＮ個の前記第２光変調部それぞれに呈示させ、
前記Ｎ個のフーリエ変換像それぞれをＮ個の前記第２光変調部のうちの何れかに入射させ、
前記Ｎ個のフーリエ変換像とＮ個の前記第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において前記入力パターンと前記参照パターンとの間の相関を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器（Ｎは２以上の整数）。
【請求項８】
前記第１光変調部と前記第２光変調部とを並列的に有する空間光変調器を用い、
前記第１光変調部から出力される光をミラーにより反射させて前記第２光変調部に入力させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する光相関器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１，２に記載されている光相関器は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、参照パターンに対応する相関フィルタに対して、入力パターンをフーリエ変換したものを入射させて、このとき相関フィルタからの出力光に基づいて上記相関を検出する。これらの光相関器は、光学的にフーリエ変換を行うためにレンズを用いている。
【非特許文献１】Alastair D. McAulay and JunqingWang, “Lensless 2-D correlation experiments”, SPIE Vol.1959 OpticalPattern Recognition IV (1993), pp.403-407
【非特許文献２】Natalie Clark, Kirk J Powell andMichael K. Giles, “Using Liquid Crystal Devices as Input and Filter SLMs”, SPIE Vol.1704Advances in Optical Information Processing V (1992), pp.237-247
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような光相関器では、光源、入力パターン呈示部、相関フィルタ呈示部およびレンズ等を含む光学系における相対的配置関係や、光源から出力される光の波長は、厳密な精度で管理されなければならない。上記光学系における相対的配置関係が僅かでも崩れたり、温度変動等の要因により光の波長が僅かでも変化したりすると、相関検出が困難となる。上記光学系における相対的配置関係はミクロンオーダーの精度で調整される必要がある。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく高精度の相関検出をすることができる光相関器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る光相関器は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する光相関器であって、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて光の振幅または位相を変調する第１変調パターンを呈示して、その変調後の光を出力する第１光変調部と、(3)第１光変調部から出力された光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて光の振幅または位相を変調する第２変調パターンを呈示して、その変調後の光を出力する第２光変調部と、(4)第２光変調部から出力された光を受光する撮像面を有し、その撮像面における光の像を撮像する撮像部と、(5) 第１光変調部に第１変調パターンを呈示させるとともに、第２光変調部に第２変調パターンを呈示させる制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
さらに、本発明に係る光相関器に含まれる制御部は、(a) 入力パターンと、入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部に形成するための第１フレネルレンズパターンと、を重畳したパターンを第１変調パターンとして第１光変調部に呈示させるとともに、(b)参照パターンに対応する相関フィルタパターンと、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合に第２光変調部から出力される光を撮像部の撮像面に集光させるための第２フレネルレンズパターンと、を重畳したパターンを第２変調パターンとして第２光変調部に呈示させて、(c)このときの撮像部による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る光相関器では、第１光変調部に呈示される第１変調パターンは、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。第１フレネルレンズパターンは、入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部に形成するためのものである。また、第２光変調部に呈示される第２変調パターンは、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。第２フレネルレンズパターンは、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合に第２光変調部から出力される光を撮像部の撮像面に集光させるためのものである。
【０００８】
光源から出力され第１光変調部に入力された光は、第１変調パターンにより空間的に位相変調されて、第１光変調部から出力される。このとき第１光変調部から出力されて第２光変調部に入力される光の像は、第１フレネルレンズパターンの作用により入力パターンがフーリエ変換されたものとなる。第１光変調部から第２光変調部に入力される光の像（入力パターンのフーリエ変換）と第２光変調部における相関フィルタパターン（参照パターンのフーリエ変換）との間に相関がある場合、すなわち、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合、第２光変調部から出力される光は、第２フレネルレンズパターンの作用により撮像部の撮像面に集光される。このようにして、撮像部による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【０００９】
本発明に係る光相関器では、制御部は、第１フレネルレンズパターンを第１光変調部に呈示させるとともに、光入射位置によって光の回折の方向または強度が異なる回折パターンを第２光変調部に呈示させて、そのときの撮像部による撮像の結果を求め、この撮像結果に基づいて、第１光変調部における第１フレネルレンズパターンの呈示位置、第２光変調部における相関フィルタパターンの呈示位置、または、第１光変調部に呈示される入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部に形成する際の位置を調整するのが好適である。このようにすることにより、光相関器の構成要素を機械的に動かすことなく、また、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の調整をすることができる。
【００１０】
本発明に係る光相関器では、制御部は、第１変調パターンに第１ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを第１光変調部に呈示させて、第１光変調部からの出力光のうち第１ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を第２光変調部に入射させ、第１光変調部からの出力光のうち０次光を第２光変調部に入射させないのが好適である。また、本発明に係る光相関器では、制御部は、第２変調パターンに第２ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを第２光変調部に呈示させて、第２光変調部からの出力光のうち第２ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を撮像部の撮像面に入射させ、第２光変調部からの出力光のうち０次光を撮像部の撮像面に入射させないのも好適である。このようにすることにより、信号光とノイズ光（０次光）とを互いに分離することができ、撮像部の撮像面にノイズ光が到達するのを回避することができるので、相関検出のＳＮ比が向上する。
【００１１】
本発明に係る光相関器は、Ｎ個の第１光変調部を並列的に有する第１空間光変調器と、Ｎ個の第２光変調部を並列的に有する第２空間光変調器と、を用い、制御部は、Ｎ個の第１光変調部とＮ個の第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するのが好適である。ここで、Ｎは２以上の整数である。この場合には、Ｎ個の光相関器が並列的に設けられた構成と同等の構成となり、装置規模を大きくすることなく、相関検出の効率が向上する。
【００１２】
本発明に係る光相関器は、Ｎ個の第２光変調部を並列的に備え、制御部は、第１変調パターンにブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したＮ個のパターンを多重化した多重化パターンを第１光変調部に呈示させ、Ｎ個のパターンに対して１対１に対応する第２変調パターンをＮ個の第２光変調部それぞれに呈示させ、第１光変調部からの出力光のうち各ブレイズド位相回折格子パターンにより所定方向に回折された光を、Ｎ個の第２光変調部のうちの何れかに入射させ、Ｎ個のパターンとＮ個の第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するのが好適である。ここで、Ｎは２以上の整数である。この場合には、第１光変調部にＮ個の入力パターンが多重化して呈示され、各入力パターンのフーリエ変換像は、Ｎ個の第２光変調部の何れかに入力される。一方、Ｎ個の第２光変調部それぞれには、互いに異なる参照パターンに対応する相関フィルタパターンが呈示されてもよい。したがって、この場合にも、Ｎ個の光相関器が並列的に設けられた構成と同等の構成となり、装置規模を大きくすることなく、相関検出の効率が向上する。
【００１３】
本発明に係る光相関器は、Ｎ個の第２光変調部を並列的に備え、制御部は、入力パターンのＮ個のフーリエ変換像を形成するためのパターンをも第１変調パターンに重畳して第１光変調部に呈示させ、Ｎ個のフーリエ変換像に対して１対１に対応する第２変調パターンをＮ個の第２光変調部それぞれに呈示させ、Ｎ個のフーリエ変換像それぞれをＮ個の第２光変調部のうちの何れかに入射させ、Ｎ個のフーリエ変換像とＮ個の第２光変調部とを１対１に対応させて、その各々の対において入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するのが好適である。ここで、Ｎは２以上の整数である。この場合には、第１光変調部に呈示された入力パターンのフーリエ変換像は、Ｎ個の第２光変調部それぞれに入力される。一方、Ｎ個の第２光変調部それぞれには、互いに異なる参照パターンに対応する相関フィルタパターンが呈示されてもよい。したがって、この場合にも、Ｎ個の光相関器が並列的に設けられた構成と同等の構成となり、装置規模を大きくすることなく、相関検出の効率が向上する。
【００１４】
本発明に係る光相関器は、第１光変調部と第２光変調部とを並列的に有する空間光変調器を用い、第１光変調部から出力される光をミラーにより反射させて第２光変調部に入力させるのが好適である。この場合には、１つの空間光変調器を用いればよいので、安価な構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る光相関器は、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の相関検出をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
【００１８】
図１は、第１実施形態に係る光相関器１の構成図である。この図に示される光相関器１は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２１、第２光変調部２２、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００１９】
光源１１は、光相関の検出のために用いる光を出力するものであって、レーザ光源であるのが好適である。入射光学系１２は、光源１１から出力された光を入力し、その光のビーム径を適当な大きさにするとともに平行光として、その光を第１光変調部２１へ出力する。
【００２０】
第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて光の振幅または位相を変調する変調パターンを呈示して、その変調後の光を出力するものである。この変調パターンは制御部４１により与えられる。第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、空間光変調器（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）により実現されるのが好適である。
【００２１】
第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、透過型のものであってもよいし、反射型のものであってもよい。本実施形態では、第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、入射光のビーム断面位置に応じて透過光の振幅または位相を変調することができる透過型のものである。第１光変調部２１および第２光変調部２２は互いに平行に配置されている。
【００２２】
第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて光の振幅のみを変調することができるものであってもよいし、光の位相のみを変調することができるものであってもよいし、また、光の振幅および位相の双方を変調することができるものであってもよい。光利用効率の観点からは、第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは、光の位相のみを変調することができる位相変調型のものであるのが好適である。本実施形態および以降の実施形態では、第１光変調部２１および第２光変調部２２それぞれは位相変調型のものであるとする。
【００２３】
第１光変調部２１は、制御部４１により与えられる第１変調パターンを呈示し、光源１１から出力されて入射光学系１２により平行光とされた光を入力して、第１変調パターンにより変調された後の光を第２光変調部２２へ出力する。入射光学系１２から第１光変調部２１へ光が垂直入射するのが好ましい。
【００２４】
第２光変調部２２は、制御部４１により与えられる第２変調パターンを呈示し、第１光変調部２１から出力された光を入力して、第２変調パターンにより変調された後の光を撮像部３１へ出力する。
【００２５】
撮像部３１は、第２光変調部２２から出力された光を受光する撮像面３１ａを有し、その撮像面３１ａにおける光の像を撮像する。撮像部３１は、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）素子を含むものであってもよいし、フォトダイオードアレイを含むものであってもよい。
【００２６】
制御部４１は、第１光変調部２１に第１変調パターンを呈示させるとともに、第２光変調部２２に第２変調パターンを呈示させる。また、制御部４１は、撮像部３１による撮像結果を入力して、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する。
【００２７】
制御部４１により第１光変調部２１に呈示される第１変調パターンは、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。第１フレネルレンズパターンは、入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部２２に形成するためのものである。
【００２８】
制御部４１により第２光変調部２２に呈示される第２変調パターンは、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳されたものである。相関フィルタパターンは、参照パターンをフーリエ変換したものの位相共役パターンである。第２フレネルレンズパターンは、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合に第２光変調部２２から出力される光を撮像部３１の撮像面３１ａに集光させるためのものである。
【００２９】
制御部４１は、このときの撮像部３１による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する。
【００３０】
図２は、第１フレネルレンズパターンまたは第２フレネルレンズパターンを示す図である。この図で、第１光変調部２１または第２光変調部２２の各画素における位相変調量が濃淡で示されている。
【００３１】
以上のように構成されるVander-Lugt型の光相関器１において、第１光変調部２１に呈示される第１フレネルレンズパターンによって第２光変調部２２に形成される入力パターンのフーリエ変換像と、第２光変調部２２に呈示される相関フィルタパターンとは、位置が互いに一致し、大きさも互いに一致することが必要である。画素構造を有する第２光変調部２２により相関フィルタパターンが呈示されるので、相関フィルタパターンの大きさは、第２光変調部２２の画素の大きさに基づいて決定される。したがって、第２光変調部２２における入力パターンのフーリエ変換像および相関フィルタパターンそれぞれの大きさを互いに一致させるためには、第１フレネルレンズパターンの焦点距離によって入力パターンのフーリエ変換像の大きさを調整しなくてはならない。焦点距離による大きさの調整方法を次に説明する。
【００３２】
第１フレネルレンズパターンにより第２光変調部２２に形成される入力パターンのフーリエ変換像の大きさは、第１光変調部２１における光の回折の際の最大回折角度θによって決まる。この最大回折角度θは、入力パターンの最大空間周波数Ｐおよび光の波長λを用いて、下記（１）式で表される。入力パターンのフーリエ変換像の大きさＤは、最大回折角度θおよび第１フレネルレンズパターンの焦点距離ｆを用いて、下記（２）式で表される。これらの式から、入力パターンのフーリエ変換像の大きさＤは、下記（３）式で表される。この（３）式によるフーリエ変換像の大きさＤと相関フィルタパターンの大きさとを互いに一致させるように、第１フレネルレンズパターンの焦点距離ｆに設定すればよい。
【００３３】
【数１】
2010108410.tif 000003
【００３４】
【数２】
2010108410.tif 000004
【００３５】
【数３】
2010108410.tif 000005
【００３６】
第１光変調部２１と第２光変調部２２との間の距離をｆ１とし、第２光変調部２２と撮像部３１の撮像面３１ａとの間の距離をｆ２とする。このとき、第１光変調部２１には、焦点距離ｆ１の第１フレネルレンズパターンと入力パターンとが加算された第１変調パターンが呈示される。第２光変調部２２は、第１光変調部２１から第１フレネルレンズパターンの焦点距離だけ離れた位置に配置される。また、第２光変調部２２に呈示される第２変調パターンに含まれる第２フレネルレンズパターンは、下記（４）式に求められる焦点距離ｆ３とされる。
【００３７】
【数４】
2010108410.tif 000006
【００３８】
このように構成される光相関器１では、制御部４１により、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳された第１変調パターンが第１光変調部２１に呈示されるとともに、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳された第２変調パターンが第２光変調部２２に呈示される。
【００３９】
光源１１から出力された光は、入射光学系１２によりビーム径が適当な大きさにされるとともに平行光とされて、第１光変調部２１に入力される。第１光変調部２１に入力された光は、第１変調パターンにより空間的に位相変調され、第１光変調部２１から透過して出力される。このとき第１光変調部２１から出力されて第２光変調部２２に入力される光の像は、第１フレネルレンズパターンの作用により入力パターンがフーリエ変換されたものとなる。
【００４０】
第１光変調部２１から第２光変調部２２に入力される光の像（入力パターンのフーリエ変換）と第２光変調部２２における相関フィルタパターン（参照パターンのフーリエ変換）との間に相関がある場合、すなわち、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合、第２光変調部２２から透過して出力される光は、第２フレネルレンズパターンの作用により撮像部３１の撮像面３１ａに集光される。このようにして、撮像部３１による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【００４１】
本実施形態に係る光相関器１は、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の相関検出をすることができる。例えば、第２光変調部２２における入力パターンのフーリエ変換像と相関フィルタパターンとの間の位置関係の調整は、以下のような手順により容易にすることができる。
【００４２】
光の波長λ、第１フレネルレンズパターンの直径ｄ、および、第１フレネルレンズパターンの焦点距離ｆに対して、第１フレネルレンズパターンの集光作用による集光点の集光点の直径Ｄは、下記（５）式で表される。
【００４３】
【数５】
2010108410.tif 000007
【００４４】
この集光点Ｄの大きさに合わせた幅を持つ図３に示されるような２値位相格子を作成して、この２値位相格子を第２光変調部２２に呈示させる。この図３に示される２値位相格子は、第１方向に延びる３本の格子と、これに直交する第２方向に延びる３本の格子とを含む。この２値位相格子も位相格子であってよい。第１フレネルレンズパターンを第１光変調部２１に呈示させ、このような２値位相格子を第２光変調部２２に呈示させる。
【００４５】
第２光変調部２２において第１フレネルレンズパターンにより集光点と２値位相格子の中心点（第１方向の３本の格子と第２方向の３本の格子との交差位置）とが互いに一致しているときには、図４に示されるように、第２光変調部２２からの回折光Ａの強度が最も強くなり、撮像部３１の撮像面３１ａに入力される０次光の強度が最も弱くなる。したがって、撮像部３１の撮像面３１ａに入力される光の強度が最も弱くなるようにすれば、第２光変調部２２において第１フレネルレンズパターンにより集光点と２値位相格子の中心点とを互いに一致させることができる。このときの２値位相格子の中心点を、相関フィルタパターンの中心点とすればよい。
【００４６】
このように、制御部４１は、第１フレネルレンズパターンを第１光変調部２１に呈示させるとともに、光入射位置によって光の回折の方向または強度が異なる回折パターンを第２光変調部２２に呈示させて、そのときの撮像部３１による撮像の結果を求める。そして、制御部４１は、この撮像結果に基づいて、第１光変調部２１における第１フレネルレンズパターンの呈示位置、第２光変調部２２における相関フィルタパターンの呈示位置、または、第１光変調部２１に呈示される入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部２２に形成する際の位置を調整すればよい。
【００４７】
なお、第１光変調部２１に呈示される入力パターンのフーリエ変換像を第２光変調部２２に形成する際の位置を調整するには、入力パターンおよび第１フレネルレンズパターンに加えて更にブレイズド位相回折格子パターンが重畳された第１変調パターンを第１光変調部２１に呈示させればよい。
【００４８】
図５は、ブレイズド位相回折格子パターンを示す図である。この図でも、位相変調量が濃淡で示されている。この図に示されるように、ブレイズド位相回折格子パターンは、一方向に沿って一定の変化量で位相変調量が変化しているものである。このようなブレイズド位相回折格子パターンを用いることにより、第１光変調部２１からの光の回折方向を微調整することができて、第２光変調部２２において形成される入力パターンのフーリエ変換像の位置を微調整することができる。
【００４９】
このような調整は、光源１１から出力される光の波長が変動した場合等によって焦点距離が変化してしまった場合にも、有効である。このような調整は、光相関器１の使用に先立って行われるのが好適であり、また、光相関器１の使用の途中のおいても定期的に行われるのが好適である。このようにすることで、光の波長の変動や光学系の不安定性を除去した光相関器１を実現することができる。すなわち、この光相関器１は、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の相関検出をすることができる。
【００５０】
（第２実施形態）
【００５１】
図６は、第２実施形態に係る光相関器２の構成図である。この図に示される光相関器２は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２３、第２光変調部２４、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００５２】
図１に示された第１実施形態に係る光相関器１の構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態に係る光相関器２は、透過型の第１光変調部２１および第２光変調部２２に替えて、反射型の第１光変調部２３および第２光変調部２４を備える点で相違する。制御部４１により第１光変調部２３に呈示されるべき第１変調パターン、および、制御部４１により第２光変調部２４に呈示されるべき第２変調パターンは、第１実施形態の場合と同様である。
【００５３】
第２実施形態に係る光相関器２においても、透過および反射の相違を除いて第１実施形態に係る光相関器１と同様に動作する。すなわち、光相関器２では、制御部４１により、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳された第１変調パターンが第１光変調部２３に呈示されるとともに、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳された第２変調パターンが第２光変調部２４に呈示される。
【００５４】
光源１１から出力された光は、入射光学系１２によりビーム径が適当な大きさにされるとともに平行光とされて、第１光変調部２３に入力される。第１光変調部２３に入力された光は、第１変調パターンにより空間的に位相変調され、第１光変調部２３から反射して出力される。このとき第１光変調部２３から出力されて第２光変調部２４に入力される光の像は、第１フレネルレンズパターンの作用により入力パターンがフーリエ変換されたものとなる。
【００５５】
第１光変調部２３から第２光変調部２４に入力される光の像（入力パターンのフーリエ変換）と第２光変調部２４における相関フィルタパターン（参照パターンのフーリエ変換）との間に相関がある場合、すなわち、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合、第２光変調部２４から反射して出力される光は、第２フレネルレンズパターンの作用により撮像部３１の撮像面３１ａに集光される。このようにして、撮像部３１による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【００５６】
また、第２実施形態に係る光相関器２は、第１実施形態に係る光相関器１の調整と同様の調整が可能であり、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の相関検出をすることができる。
【００５７】
第２実施形態に係る光相関器２の具体的な構成は以下のとおりである。光源１１として、波長６３３ｎｍのレーザ光を出力するＨｅ-Ｎｅレーザ光源が用いられた。第１光変調部２３および第２光変調部２４それぞれとして、浜松ホトニクス社製のＬＣＯＳ（LiquidCrystal on Silicon）型の画素サイズ２０μｍの空間光変調器が用いられた。第１光変調部２３に呈示される入力パターンにおける最大空間周波数を１６０μｍとした。第２光変調部２４に呈示される相関フィルタパターンの大きさを５１２ピクセルとした。このとき、上記（３）式から計算される第１フレネルレンズパターンの焦点距離を１２９４ｍｍとした。第１フレネルレンズパターンの直径を５１２ピクセルに設定した。第１光変調部２３から第２光変調部２４までの距離と第２光変調部２４から撮像部３１の撮像面３１ａまでの距離とが互いに等しくなるように、第２光変調部２４に呈示される第２フレネルレンズパターンの焦点距離を６４７ｍｍに設定した。第２フレネルレンズパターンの直径を５１２ピクセルに設定した。
【００５８】
このような具体的構成の光相関器２を用いた相関検出の実施例が図７〜図９に示されている。なお、図７，図８では、第１光変調部２３または第２光変調部２４における位相変調量が濃淡で示されている。また、図９では、撮像部３１の撮像面３１ａにおける光強度分布が濃淡で示されている。
【００５９】
図７は、第１光変調部２３に呈示された第１変調パターンを示す図である。同図（ａ）は入力パターンを示し、同図（ｂ）は第１フレネルレンズパターンを示し、また、同図（ｃ）は第１変調パターンを示す。ここで、入力パターンは“ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ” という文字列である。
【００６０】
図８は、第２光変調部２４に呈示された第２変調パターンを示す図である。同図（ａ）は参照パターンに対応する相関フィルタパターンを示し、同図（ｂ）は第２フレネルレンズパターンを示し、また、同図（ｃ）は第２変調パターンを示す。ここで、参照パターンは“Ａ” という１文字である。相関フィルタパターンは、この参照パターンをフーリエ変換したものの位相共役パターンである。
【００６１】
図９は、このとき撮像部３１による撮像により得られた像を示す図である。この図に示されるように、入力パターン “ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ” のうち文字 “Ａ” が配置されている位置に光が集光されていることが確認された。すなわち、相関検出が為されていることが確認された。
【００６２】
（第３実施形態）
【００６３】
図１０は、第３実施形態に係る光相関器３の構成図である。この図に示される光相関器３は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２３、第２光変調部２４、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００６４】
図６に示された第２実施形態に係る光相関器２の構成と比較すると、この図１０に示される第３実施形態に係る光相関器３は、同様の構成要素を含むものの、制御部４１により反射型の第１光変調部２３に呈示されるべき第１変調パターンの点で相違し、また、制御部４１により反射型の第２光変調部２４に呈示されるべき第２変調パターンの点で相違する。
【００６５】
第３実施形態では、制御部４１は、第１変調パターンに第１ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを第１光変調部２３に呈示させて、第１光変調部２３からの出力光のうち第１ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を第２光変調部２４に入射させ、第１光変調部２３からの出力光のうち０次光を第２光変調部２４に入射させない。また、制御部４１は、第２変調パターンに第２ブレイズド位相回折格子パターンをも重畳したパターンを第２光変調部２４に呈示させて、第２光変調部２４からの出力光のうち第２ブレイズド位相回折格子パターンにより回折された光を撮像部３１の撮像面３１ａに入射させ、第２光変調部２４からの出力光のうち０次光を撮像部３１の撮像面３１ａに入射させない。
【００６６】
第１ブレイズド位相回折格子パターンおよび第２ブレイズド位相回折格子パターンそれぞれは、図５に示されるような位相変調量分布を有するものである。このようなブレイズド位相回折格子パターンは、第１光変調部２３および第２光変調部２４のうち何れか一方のみに呈示されてもよい。
【００６７】
このようにすることにより、信号光とノイズ光（０次光）とを互いに分離することができ、撮像部３１の撮像面３１ａにノイズ光が到達するのを回避することができるので、相関検出のＳＮ比が向上する。また、第１光変調部２３および第２光変調部２４は、互いに平行となるように配置することができ、また、入射光学系１２の光軸に対して垂直となるように配置することができる。
【００６８】
（第４実施形態）
【００６９】
図１１は、第４実施形態に係る光相関器４の構成図である。この図に示される光相関器４は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２１ａ〜２１ｄ、第２光変調部２２ａ〜２２ｄ、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００７０】
図１に示された第１実施形態に係る光相関器１の構成と比較すると、この図１１に示される第４実施形態に係る光相関器４は、透過型の第１光変調部２１に替えて透過型の第１光変調部２１ａ〜２１ｄを備える点で相違し、また、透過型の第２光変調部２２に替えて透過型の第２光変調部２２ａ〜２２ｄを備える点で相違する。
【００７１】
第４実施形態では、４個の第１光変調部２１ａ〜２１ｄは、１個の透過型の第１空間光変調器において並列的に２行２列に配置されて実現される。また、４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄは、１個の透過型の第２空間光変調器において並列的に２行２列に配置されて実現される。そして、第１光変調部２１ａと第２光変調部２２ａとが互いに対応し、第１光変調部２１ｂと第２光変調部２２ｂとが互いに対応し、第１光変調部２１ｃと第２光変調部２２ｃとが互いに対応し、また、第１光変調部２１ｄと第２光変調部２２ｄとが互いに対応している。
【００７２】
図１２は、第４実施形態に係る光相関器４に含まれる第１空間光変調器または第２空間光変調器において並列的に呈示される４個のフレネルレンズパターンを示す図である。この図でも、第１空間光変調器または第２空間光変調器の各画素における位相変調量が濃淡で示されている。
【００７３】
制御部４１は、第１光変調部２１ａに第１変調パターンを呈示させ、第２光変調部２２ａに第２変調パターンを呈示させて、第２光変調部２２ａから出力された光が撮像部３１の撮像面３１ａの所定領域に集光される様子に基づいて、この対において入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出する。他の３組についても同様である。すなわち、第４実施形態に係る光相関器４は、４組の第１実施形態に係る光相関器１が並列的に設けられた構成と同等である。
【００７４】
なお、４組に限られず、一般にＮ組であってもよい。ただし、Ｎは２以上の整数である。また、反射型の光変調部を用いても同様のことが可能である。
【００７５】
（第５実施形態）
【００７６】
図１３は、第５実施形態に係る光相関器５の構成図である。この図に示される光相関器５は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２１、第２光変調部２２ａ〜２２ｄ、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００７７】
図１に示された第１実施形態に係る光相関器１の構成と比較すると、この図１３に示される第５実施形態に係る光相関器５は、透過型の第１光変調部２１に呈示されるパターンの点で相違し、また、透過型の第２光変調部２２に替えて透過型の第２光変調部２２ａ〜２２ｄを備える点で相違する。
【００７８】
第５実施形態では、第１光変調部２１に、第１変調パターンにブレイズド位相回折格子パターンをも重畳した４個のパターンが多重化された多重化パターンが呈示される。各ブレイズド位相回折格子パターンは、互いに異なる方向に光を出力させる作用を有する。
【００７９】
この多重化について２個の場合について説明すると以下のとおりである。或る第１変調パターン（図１４（ａ））をｅjφAとし、これに対応するブレイズド位相回折格子パターン（図１４（ｂ））をｅjφBとする。また、他の第１変調パターン（図１４（ｃ））をｅjφCとし、これに対応するブレイズド位相回折格子パターン（図１４（ｄ））をｅjφDとする。第１光変調部２１に呈示される多重化パターンｅjφmultiは、下記（６）式で表され、第１変調パターンｅjφAおよびブレイズド位相回折格子パターンｅjφBそれぞれの位相を加算したものと、第１変調パターンｅjφCおよびブレイズド位相回折格子パターンｅjφDそれぞれの位相を加算したものとを、複素振幅で加算したものとなる。一般にＮ個のパターンを多重化する場合も同様である。
【００８０】
【数６】
2010108410.tif 000008
【００８１】
４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄは、並列的に２行２列に配置されている。これらは、別個の透過型の空間光変調器により実現されてもよいし、１個の透過型の空間光変調器において実現されてもよい。４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄそれぞれには、第１光変調部２１において多重化されて呈示される４個のパターンに対して１対１に対応する第２変調パターンが呈示される。
【００８２】
第１光変調部２１からの出力光のうち各ブレイズド位相回折格子パターンにより所定方向に回折された光は、４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄのうちの何れかに入力される。そして、４個のパターンと４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄとが１対１に対応していて、その各々の対において入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【００８３】
なお、４組に限られず、一般にＮ組であってもよい。ただし、Ｎは２以上の整数である。また、反射型の光変調部を用いても同様のことが可能である。
【００８４】
（第６実施形態）
【００８５】
図１５は、第６実施形態に係る光相関器６の構成図である。この図に示される光相関器６は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２１、第２光変調部２２ａ〜２２ｄ、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００８６】
図１３に示された第５実施形態に係る光相関器５の構成と比較すると、この図１５に示される第６実施形態に係る光相関器６は、透過型の第１光変調部２１に呈示されるパターンの点で相違する。
【００８７】
第６実施形態では、第１光変調部２１に、入力パターンの４個のフーリエ変換像を形成するためのパターン（図１６）をも第１変調パターンに重畳したパターンが呈示される。４個のフーリエ変換像に対して１対１に対応する第２変調パターンが、４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄそれぞれに呈示される。４個のフーリエ変換像それぞれは、４個の第２光変調部２２ａ〜２２ｄのうちの何れかに入力される。そして、４個のフーリエ変換像と４個の第２光変調部とが１対１に対応していて、その各々の対において入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【００８８】
なお、４組に限られず、一般にＮ組であってもよい。ただし、Ｎは２以上の整数である。また、反射型の光変調部を用いても同様のことが可能である。
【００８９】
（第７実施形態）
【００９０】
図１７は、第７実施形態に係る光相関器７の構成図である。この図に示される光相関器７は、入力パターンと参照パターンとの間の相関を検出するVander-Lugt型のものであって、光源１１、入射光学系１２、第１光変調部２５、第２光変調部２６、撮像部３１および制御部４１を備える。
【００９１】
図６に示された第２実施形態に係る光相関器２の構成と比較すると、この図１７に示される第７実施形態に係る光相関器７は、反射型の第１光変調部２３および第２光変調部２４に替えて反射型の第１光変調部２５および第２光変調部２６を備える点で相違し、これら第１光変調部２５および第２光変調部２６が１つの空間光変調器２０により実現されている点で相違し、また、ミラー５１を更に備える点で相違する。
【００９２】
第７実施形態では、第１光変調部２５および第２光変調部２６は、１つの空間光変調器２０において並列的に配置されている。図１８は、第７実施形態に係る光相関器７に含まれる空間光変調器２０において第１光変調部２５および第２光変調部２６それぞれ呈示されるパターンを示す図である。同図で、左のパターンは第１変調パターンであり、右のパターンは第２変調パターンである。
【００９３】
この光相関器７では、制御部４１により、入力パターンと第１フレネルレンズパターンとが重畳された第１変調パターンが空間光変調器２０のうちの第１光変調部２５に呈示されるとともに、参照パターンに対応する相関フィルタパターンと第２フレネルレンズパターンとが重畳された第２変調パターンが空間光変調器２０のうちの第２光変調部２６に呈示される。
【００９４】
光源１１から出力された光は、入射光学系１２によりビーム径が適当な大きさにされるとともに平行光とされて、第１光変調部２５に入力される。第１光変調部２５に入力された光は、第１変調パターンにより空間的に位相変調され、第１光変調部２５から反射して出力される。このとき第１光変調部２５から出力されミラー５１により反射されて第２光変調部２６に入力される光の像は、第１フレネルレンズパターンの作用により入力パターンがフーリエ変換されたものとなる。
【００９５】
第１光変調部２５からミラー５１を経て第２光変調部２６に入力される光の像（入力パターンのフーリエ変換）と第２光変調部２６における相関フィルタパターン（参照パターンのフーリエ変換）との間に相関がある場合、すなわち、入力パターンと参照パターンとの間に相関がある場合、第２光変調部２６から反射して出力される光は、第２フレネルレンズパターンの作用により撮像部３１の撮像面３１ａに集光される。このようにして、撮像部３１による撮像の結果に基づいて、入力パターンと参照パターンとの間の相関が検出される。
【００９６】
また、第７実施形態に係る光相関器７は、第１実施形態に係る光相関器１等の調整と同様の調整が可能であり、高精度な光学系の相対的配置関係が要求されることなく、高精度の相関検出をすることができる。また、第７実施径庭に係る光相関器７は、１つの空間光変調器を用いればよいので、安価な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１実施形態に係る光相関器１の構成図である。
【図２】第１フレネルレンズパターンまたは第２フレネルレンズパターンを示す図である。
【図３】第１実施形態に係る光相関器１において第２光変調部２２に呈示される２値位相格子を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る光相関器１において第２光変調部２２に２値位相格子が呈示された場合の回折光Ａの発生の様子を説明する図である。
【図５】ブレイズド位相回折格子パターンを示す図である。
【図６】第２実施形態に係る光相関器２の構成図である。
【図７】第１光変調部２３に呈示された第１変調パターンを示す図である。
【図８】第２光変調部２４に呈示された第２変調パターンを示す図である。
【図９】撮像部３１による撮像により得られた像を示す図である。
【図１０】第３実施形態に係る光相関器３の構成図である。
【図１１】第４実施形態に係る光相関器４の構成図である。
【図１２】第４実施形態に係る光相関器４に含まれる第１空間光変調器または第２空間光変調器において並列的に呈示される４個のフレネルレンズパターンを示す図である。
【図１３】第５実施形態に係る光相関器５の構成図である。
【図１４】第５実施形態に係る光相関器５に含まれる第１光変調部２１に呈示される多重化パターンを説明する図である。
【図１５】第６実施形態に係る光相関器６の構成図である。
【図１６】第６実施形態に係る光相関器６に含まれる第１光変調部２１に呈示される入力パターンの４個のフーリエ変換像を形成するためのパターンを説明する図である。
【図１７】第７実施形態に係る光相関器７の構成図である。
【図１８】第７実施形態に係る光相関器７に含まれる空間光変調器２０において第１光変調部２５および第２光変調部２６それぞれ呈示されるパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１〜７…光相関器、１１…光源、１２…入射光学系、２１，２３，２５…第１光変調部、２２，２４，２６…第２光変調部、３１…撮像部、３１ａ…撮像面、４１…制御部、５１…ミラー。
【図１】
2010108410.tif 000009
【図４】
2010108410.tif 000010
【図６】
2010108410.tif 000011
【図１０】
2010108410.tif 000012
【図１１】
2010108410.tif 000013
【図１３】
2010108410.tif 000014
【図１５】
2010108410.tif 000015
【図１７】
2010108410.tif 000016
【図２】
2010108410.tif 000017
【図３】
2010108410.tif 000018
【図５】
2010108410.tif 000019
【図７】
2010108410.tif 000020
【図８】
2010108410.tif 000021
【図９】
2010108410.tif 000022
【図１２】
2010108410.tif 000023
【図１４】
2010108410.tif 000024
【図１６】
2010108410.tif 000025
【図１８】
2010108410.tif 000026